análise, sintonia e experimentação de controladores pid via projetos gmv e gpc

165 Pages·2007·1.14 MB·Portuguese

HENRY LEONARDO LÓPEZ SALAMANCA

ANÁLISE, SINTONIA E EXPERIMENTAÇÃO DE
CONTROLADORES PID VIA PROJETOS
GMV E GPC

FLORIANÓPOLIS
2007

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ANÁLISE, SINTONIA E EXPERIMENTAÇÃO DE
CONTROLADORES PID VIA PROJETOS
GMV E GPC

Dissertação submetida à
Universidade Federal de Santa Catarina
como parte dos requisitos para a
obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.

HENRY LEONARDO LÓPEZ SALAMANCA

Florianópolis, Novembro de 2007.
i
ANÁLISE, SINTONIA E EXPERIMENTAÇÃO DE
CONTROLADORES PID VIA PROJETOS GMV E GPC

Henry Leonardo López Salamanca

‘Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia
Elétrica, Área de Concentração em Automação e Sistemas, e
aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Santa Catarina.’

_____________________________________________________
Prof. Antonio Augusto Rodrigues Coelho, D. Sc.
Orientador

_____________________________________________________
Profª. Kátia Campos de Almeida, Dra.
Coordenadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Banca Examinadora:

___________________________________________________
Prof. Antonio Augusto Rodrigues Coelho, D. Sc., DAS / UFSC
Orientador

__________________________________________________
Prof. Otacílio Da Mota Almeida, D. Sc., DEE / UFC

_________________________________________________
Prof. João Bosco Da Mota Alves, D. SC., INE / UFSC

ii
Aos meus pais, a meu irmão
e a minha namorada Lury.
iii
Agradecimentos
Agradeço a Deus, por ter me dado o presente da vida, e por sempre ter me aberto as
portas e me guiado pelos caminhos que escolhi traçar.
Ao professor Antonio Augusto Rodrigues Coelho, pela orientação na minha
dissertação, sempre me auxiliando com direcionamentos e sugestões em minhas dúvidas e
questionamentos.
A WEG Automação pelo apoio técnico e suporte financeiro. Aos engenheiros Valter
Luiz Knihs e Mario Cologni pela sua valiosa ajuda.
Aos meus pais, Fanny e José por tudo o que fazem por mim, pelo amor, carinho,
dedicação e educação. Sem vocês eu não teria chegado até aqui.
A meu irmão Julian por seu amor, apoio e amizade, espero que algum dia ele possa
também estudar aqui no Brasil.
A minha namorada Lury por seu amor, compreensão e por acreditar em nosso amor,
superando mesmo a distancia.
Ao Brasil e a UFSC por ter me dado a oportunidade de estudar este mestrado e me
ter acolhido. Aos professores e colegas do DAS.
A meus amigos brasileiros, aos meus irmãos colombianos, a colônia latino-
americana e estrangeira por sua amizade sincera.
A Dona Nazarita, seus filhos e toda sua família por ter me acolhido no seu lar,
fazendo me sentir mais um filho seu.
A toda minha família, meu pai Juan e minha avó Anita que sei que estão orando por
mim desde o céu. A minha tia Sara a Samarita e Lino por ser o apoio da família aqui no
Brasil.

iv
Resumo da Dissertação apresentada à UFSC como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.

ANÁLISE, SINTONIA E EXPERIMENTAÇÃO DE
CONTROLADORES PID VIA PROJETOS GMV E GPC

Henry Leonardo López Salamanca

Novembro/ 2007

Orientador: Prof. Antonio Augusto Rodrigues Coelho, D. Sc.
Área de Concentração: Automação e Sistemas
Palavras-chave: controle PID, robustez, sintonia, GMV, GPC, CLP
Número de Páginas: 143

Apesar de todos os avanços na área de controle nos últimos anos, o controlador PID
ainda é o controlador mais usado no controle de processos industriais. Pesquisas e
desenvolvimentos na tecnologia PID estão focalizando esforços na busca de soluções que
permitam obter não somente o melhor desempenho dos controladores, mas também
encontrar implementações tecnológicas ou metodológicas na sintonia. O objetivo desta
dissertação é proporcionar aos engenheiros e operários um melhor entendimento e maior
familiarização das estratégias que vem sendo propostas para melhorar o desempenho de
controladores PID. Adicionalmente, busca-se o desenvolvimento de softwares que
permitam aproximar a academia do setor industrial, através da implementação e
experimentação de algoritmos de controle e de técnicas de sintonia avançadas, em
equipamentos utilizados para o controle de processos industriais.
Duas técnicas de controle avançado são abordadas: GMV e GPC para a sintonia de
controladores PID em diferentes configurações de malha. A avaliação dos controladores é
feita através de indicadores de desempenho e análise da estabilidade robusta. Estuda-se a
influência da variação dos parâmetros de projeto associados as técnicas de controle, na
sintonia e no desempenho dos controladores PID. Os algoritmos de sintonia e de controle
são desenvolvidos inicialmente em Matlab e posteriormente, implementados no
controlador lógico programável CLP IndraControl L40 da Rexroth-Bosch, e validados
experimentalmente para estudos de caso de dois processos lineares, implementados com
modelos eletrônicos analógicos.
v
Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for
the degree of Master in Electrical Engineering
ANÁLISE, SINTONIA E EXPERIMENTAÇÃO DE
CONTROLADORES PID VIA PROJETO GMV E GPC

Henry Leonardo López Salamanca

November, 2007

Advisor: Prof. Antonio Augusto Rodrigues Coelho, D. Sc.
Area of Concentration: Automation and Systems
Keywords: PID Control, robustness, tuning, GMV, GPC, PLC
Number of Pages: 143

In spite all advances in the control area over the last years, the PID controller is still
the most popular controller in the process industry. Researchs and developments of PID
technology are focused to find solutions to get the best performance of the PID control.
This dissertation was proposed in order to provide to engineers and employees a better
understanding and familiarity of the strategies which have been proposed to improve the
performance of PID controllers. Moreover, to encourage the development of software that
bring academy closer to industry by implementation and testing of control algorithms and
advanced tuning techniques on equipments used for the control of industrial processes.
Throughout this work techniques for advanced control like GMV and GPC for
tuning PID controllers in different loop settings are discussed. The assessment of the
controllers is performed by performance indexes and robust stability analysis. It is also
studied the influence of the variation on the design parameters associated to the control
techniques on tuning and performance of PID controllers. The control and tuning
algorithms initially are developed in Matlab and, subsequently, implemented on a
programmable logic PLC IndraControl L40 controller of the Bosch-Rexroth. Finally, they
are validated experimentally for case studies in two linear processes, both implemented
with electronic analog models.

vi
Sumário
Lista de Tabelas..................................................................................................................xi
Lista de Figuras...............................................................................................................xiii
Lista de Abreviaturas......................................................................................................xvii
Lista de Símbolos..............................................................................................................xix
Capítulo 1 Introdução....................................................................................................1
Capítulo 2 Controlador PID .........................................................................................7
2.1 Introdução................................................................................................................7
2.2 Configurações de Malhas de Controle PID.............................................................7
2.2.1 Controlador PID Ideal..................................................................................8
2.2.2 Controlador PID de Dois Graus de Liberdade com Compensação
Feedforward...........................................................................................................13
2.2.3 Controlador I+PD......................................................................................15
2.2.4 Controlador PI+PD....................................................................................16
2.2.5 Controlador PID com Filtro na Saída........................................................18
2.2.6 Controlador PI+D com Filtro na Saída da Parte Derivativa......................21
2.3 Conclusão..............................................................................................................22
Capítulo 3 Sintonia PID via Projeto GMV.................................................................23
3.1 Introdução..............................................................................................................23
3.2 Controlador GMV.................................................................................................23
3.2.1 Modelagem do Processo............................................................................24
3.2.2 Função Custo, Saída Generalizada e Predição Ótima................................24
3.2.3 Lei de Controle GMV e as Funções de Transferência de Malha Fechada.27
3.3 Controlador GMV com Filtro................................................................................29
3.4 Controlador GMV Fortemente Estável..................................................................31
3.5 Controlador PID com Sintonia GMV....................................................................32
3.5.1 Sintonia de Controlador PID Ideal e PID de Dois Graus de Liberdade.....33
3.5.2 Sintonia de Controlador I+PD e PI+PD.....................................................38
3.5.3 Sintonia de Controladores PID com Filtro................................................40
3.5.4 Sintonia do Controlador PID Ideal com Kc Variável................................43
vii
3.6 Conclusão..............................................................................................................46
Capítulo 4 Sintonia PID via Projeto GPC..................................................................47
4.1 Introdução..............................................................................................................47
4.2 Controlador GPC...................................................................................................48
4.2.1 Preditor Ótimo...........................................................................................48
4.2.2 Controle que Minimiza a Função Custo....................................................50
4.3 Sintonia do Controlador I+PD Usando a Estrutura RST.......................................53
4.3.1 Estrutura RST do Controlador GPC..........................................................53
4.3.2 Equivalência do Controlador GPC e o Controlador I+PD.........................55
4.4 Controlador PID em Equações de Estado via Aproximação GPC........................56
4.4.1 Lei de Controle PID...................................................................................57
4.4.2 Modelagem do Processo............................................................................58
4.4.3 Projeto do Controle GPC...........................................................................60
4.4.4 Horizonte de Controle................................................................................66
4.5 Referência com Propriedade Antecipativa............................................................66
4.6 Conclusão..............................................................................................................67
Capítulo 5 Resultados de Simulação com o Matlab .................................................69
5.1 Introdução..............................................................................................................69
5.2 Resultados com a Sintonia Via Projeto GMV.......................................................70
5.2.1 Processo Oscilatório de Segunda Ordem...................................................70
5.2.2 Processo de Fase Não-Mínima..................................................................78
5.2.3 Avaliação de Estabilidade Robusta Sintonia PID via Projeto GMV.........90
5.3 Resultados com a Sintonia Via Projeto GPC.........................................................95
5.3.1 Processo Oscilatório de Segunda Ordem...................................................95
5.3.2 Processo de Fase Não-Mínima................................................................103
5.3.3 Avaliação de Estabilidade Robusta Sintonia PID via Projeto GPC.........110
5.4 Conclusão............................................................................................................113
Capítulo 6 Resultados de Simulação com o CLP.....................................................115
6.1 Introdução............................................................................................................115
6.2 Características do CLP IndraControl L40...........................................................115
6.3 Funções e Implementação...................................................................................116
6.3.1 Funções e Implementação da Sintonia PID via Projeto GMV................118
6.3.2 Funções e Implementação da Sintonia PID via Projeto GPC..................119
viii